[논문 리뷰] Synthetic photometry for carbon-rich giants. III. Tracing the sequence of mass-losing galactic C-type Miras

W. Nowotny, B. Aringer외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 15.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 79인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 태양계 밖의 탄소-rich Mira 변수에 대한 동적이고 시간에 따라 변화하는 대기 모델의 연속성을 제시하며, 흐름과 먼지 유도 풍속을 자발적으로 모의하여 Johnson-Cousins-Glass 및 2MASS 필터를 통해 합성 광도를 재현한다. 모델들은 은하계 C형 Mira의 진화적 순서를 성공적으로 추적하며, 약한 질량 손실, 파란 기울기의 별에서부터 고도로 먼지에 둘러싸인 붉은 별, 극도로 변동성이 큰 물체로의 전환을 설명한다. 질량 손실률이 관측된 광도 다양성의 주요 원인임을 확인한다.

ABSTRACT

With the help of model calculations we aim at reproducing the observational photometric findings for a large sample of well-characterised galactic C-type Mira variables losing mass at different rates. We used dynamic model atmospheres, describing the outer layers of C-rich Miras, which are severly affected by dynamic effects. Based on the resulting structures and under the assumptions of chemical equilibrium as well as LTE, we computed synthetic spectra and synthetic broad-band photometry (Johnson-Cousins-Glass). A set of five representative models with different stellar parameters describes a sequence from less to more evolved objects with steadily increasing mass-loss rates. This allowed us to study the significant influence of circumstellar dust on the spectral energy distributions and the (amplitudes of) lightcurves in different filters. We tested the photometric properties (mean NIR magnitudes, colours, and amplitudes) and other characteristics of the models (mass-loss rates, periods, and bolometric corrections) by comparing these with the corresponding observational data adopted from the literature. Using different kinds of diagrams we illustrate where the models are located in a supposed evolutionary sequence defined by observed C-type Mira samples. Based on comparisons of galactic targets with empirical relations derived for C stars in the Large Magellanic Cloud we discuss the relevance of metallicity and excess carbon (C--O) for the development of dust-driven winds. Having investigated the dynamic model atmospheres from different (mainly photometric) perspectives, we conclude that our modelling approach (meaning the combination of numerical method and a suitable choice of model parameters) is able to describe C-rich long-period variables over a wide range of mass-loss rates, i.e., from moderately pulsating objects without any dusty wind to highly dust-enshrouded Carbon Miras.

연구 동기 및 목표

• 은하계 AGB 단계의 질량 손실을 겪는 탄소-rich Mira 변수의 전반적인 진화 순서를 모의하는 것 — 약간의 진동과 먼지가 없는 별에서부터 고도로 먼지가 둘러싸인 진화한 물체까지.
• 동적 대기 과정(진동과 먼지 유도 풍속)이 C형 Mira의 관측된 광도 특성에 어떻게 함께 기여하는지 조사하는 것.
• 시간에 따라 변화하는 역학과 먼지 형성에 기반한 단일이고 자발적인 모델링 프레임워크가 관측된 등급, 색상, 광도곡선 진폭의 다양성을 재현할 수 있는지 테스트하는 것.
• 금속성과 과잉 탄소(C–O)가 먼지 형성과 풍속 발달에 미치는 영향을 대규모 망원경 은하계의 관측 관계식을 활용하여 평가하는 것.
• 다양한 다이어그램(CMD, 이중색도 등)에서 합성 광도를 관측 데이터와 비교하여 모델의 예측 능력을 검증하는 것.

제안 방법

• 진동에 의해 유도되는 충격과 탄소-rich 환경에서의 먼지 형성을 자발적으로 포함하는 시간에 따라 변화하는 동적 대기 모델을 사용하였다.
• 진화 순서를 포괄하기 위해 다양한 항성 파rameter(광도, 진동 속도, 질량 손실률, 풍속 팽창 속도)를 가진 다섯 가지 대표적 모델 세트를 사용하였다.
• 11개의 넓은 대역 필터(BVRIJHKL′M)를 커버하는 주파수 의존성 복사 전달 및 LTE/화학 평형 가정 하에 합성 스펙트럼과 광도를 계산하였다.
• 질량 손실률을 모델 역학의 결과로 간주하여 입력 파rameter로 취급하지 않아, 자발적인 풍속 발달을 보장하였다.
• 문헌에서 확보한 관측 데이터와의 비교를 통해 합성 등급, 색상, 진폭, 볼로메트릭 보정치를 검증하였다.
• 관측된 C형 Mira 집단과의 상대적 위치를 매핑하기 위해 다수의 진단 다이어그램($\dot{M}$ vs. $J-K$, $\Delta K$ vs. $J-K$, $K$–log$P$ 등)을 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자발적인 먼지 형성을 포함한 동적 대기 모델이 은하계 C형 Mira의 다양한 질량 손실 단계에서 관측된 광도 다양성을 재현할 수 있는가?
• RQ2 진동과 먼지 유도 풍속이 탄소-rich AGB 항성의 스펙트럼 에너지 분포와 광도 변화에 어떻게 함께 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 C형 Mira의 순서가 점차 증가하는 질량 손실률과 얼마나 관련되어 있으며, 이는 모델에 의해 정량적으로 재현될 수 있는가?
• RQ4 금속성과 과잉 탄소(C–O)가 LMC C별 관계식과의 비교를 통해 먼지 유도 풍속의 발달에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 모델이 여러 필터 전역에서 평균 등급, 색상, 광도곡선 진폭을 동시에 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델 순서는 은하계 C형 Mira의 관측된 광도 순서를 성공적으로 재현하며, 파란 기울기의 낮은 진폭의 변수에서부터 붉고 고도로 황색 변색된 고진폭의 물체로의 전환을 설명한다.
• 모델은 전반적인 질량 손실률 범위에서 관측된 근적외선 등급, 색상($J-K$ 등), 광도곡선 진폭($\Delta K$)을 양호한 정량적 일치로 재현한다.
• 모델의 역학적 결과로 유도된 질량 손실률 $\dot{M}$은 보존성 황색 변색과 광도곡선 진폭과 강하게 상관되며, 이는 질량 손실률이 주요 진화적 추진력임을 확인한다.
• 모델은 관측된 $K$–log$P$ 관계와 $\Delta K$ vs. $J-K$ 경향을 재현하여 주기-광도 및 색상-진폭 관계와의 일관성을 보여준다.
• 진동과 먼지 형성을 동적 모델에 포함시킬 경우, 정적 모델 대비 광도곡선 진폭이 크게 증가하고 색상이 황색 변색되며, 실제 Mira의 관측 결과와 일치한다.
• 모델은 금속성과 과잉 탄소(C–O)가 먼지 유도 풍속의 시작과 강도를 결정하는 데 핵심적임을 시사하며, LMC 관계식과의 비교를 통해 이를 뒷받침한다.